Ilmaston lämpeneminen edellyttää nopeaa päästöjen vähentämistä sekä siirtymää fossiilisesta biogeeniseen hiileen. Hiilen lähteen tunnistamiseen ei kuitenkaan ole olemassa tehokkaita menetelmiä. VTT iBEX -innovaatio-ohjelmaan kuuluvassa BioAuthenticator-projektissa pyritään ratkaisemaan tämä tilanne radiohiilen havaitsemisen avulla.
Miljoonia vuosia vanhoista varannoista saadun fossiilisen hiilen käyttö lisää hiilidioksidia ilmakehässä, kun taas biogeenisen hiilen käyttö lasketaan yleensä hiilineutraaliksi. Joskus näitä kahta ei pystytä erottamaan toisistaan. BioAuthenticator-tiimi kehittää ratkaisua tähän haasteeseen.
“Tällä hetkellä fossiilinen ja biogeeninen hiili sekoittuvat keskenään hiilikierrossa. Jos voimme erottaa ne toisistaan, voimme laajentaa ryhtymään toimiin fossiilisen hiilen vähentämiseksi. Tämä olisi hyödyllistä hiilidioksidin verotuksen ja päästölupien kannalta, sillä voimme hallita ainoastaan sitä, mitä pystymme mittaamaan”, toteaa BioAuthenticator-tiimin vetäjä Mehr Fatima.
Radiohiilen havaitseminen laserspektroskopialla
Tietty hiilen isotooppi, radiohiili, voisi auttaa jäljittämään hiilidioksidin lähteen. Biogeenisessä hiilessä on sama pitoisuus radiohiiltä kuin ilmakehässä, kun taas fossiilisessa hiilessä radiohiiltä ei ole lainkaan. BioAuthenticator-tiimi kehittää uutta, herkkään laserspektroskopiaan perustuvaa mittalaitetta radiohiilen havaitsemiseen.
Ratkaisussa radiohiiltä mitataan laserspektroskopian avulla. Laserspektroskopiaa tehostetaan optisella ontelolla, jonka sisälle hiilidioksidinäyte ja laservalo ohjataan. Kun laservalo tulee aikanaan ulos kennosta, siitä voidaan analysoida näytteessä oleva määrä radiohiiltä. Tämä paljastaa fossiilisen ja biogeenisen hiilen osuudet näytteestä.
VTT:llä on tutkittu radiohiilen havaitsemista ja optista spektroskopiaa 5–10 vuotta, ja hanke perustuu vahvaan asiantuntemukseen näillä alueilla. Lisäksi ratkaisu edellyttää metrologian ja laskennallisen dynamiikan asiantuntemusta sekä ymmärrystä ilmastopolitiikasta ja päästökaupasta.
Tavoiteltu herkkyystaso 1 osa biljoonasta
Radiohiilen mittaamisen haasteena on, että tämän isotoopin osuus biogeenisestä hiilestä on hyvin pieni – noin yksi tuhannesta miljardista. Tämä edellyttää äärimmäisen tarkkaa mittaamista.
“Tavoitteemme on saavuttaa herkkyystaso 1 ppt ± 0,1 ppt. VTT iBEX -ohjelmassa olemme saavuttaneet 3,6 ppt:n herkkyystason. Tulos on hyvä, mutta meidän on parannettava sitä edelleen”, Fatima mainitsee.
“Ymmärrämme teknologian mahdollisuudet ja lähestymme vaadittua tarkkuustasoa. Uskomme, että pystymme rakentamaan laitteen ja saavuttamaan tavoitellun herkkyystason 1–2 vuoden sisällä”, sanoo laserspektroskopian asiantuntija Thomas Hausmaninger, joka valvoo projektia.
Kompakti koko, reaaliaikainen mittaus ja parempi lämpötilan hallinta
Markkinoilla on kilpailevia ratkaisuja fossiilisen ja biogeenisen hiilen erottamiseksi toisistaan. BioAuthenticator-tiimin laite pärjää vertailussa vaihtoehtoihin, sillä pöydälle sopiva laitteisto on kompakti ja menetelmää on helppo soveltaa.
“Kilpailevat ratkaisut eivät pysty erottamaan fossiilista ja biogeenistä hiiltä toisistaan reaaliaikaisesti. Ne eivät ole kovin helppokäyttöisiä vaan vaativat aikaa valmisteluun. Meidän asetelmallamme hiiltä voidaan mitata reaaliaikaisesti”, Fatima huomauttaa.
BioAuthenticator-tiimi jatkaa laitteiston kehittämistä. Tämä merkitsee parannuksia mittausherkkyyteen ja lämpötilan hallintaan, sekä herkimpien laserspektroskopian menetelmien soveltamista.
“Paras mittauslämpötila on -20 ja -30 Celsius-asteen välillä. Olemme pystyneet optimoimaan järjestelmäämme, jäähdyttämään sitä tehokkaasti ja parantamaan lämpötilan hallintaa. Tämä lisää järjestelmän luotettavuutta”, Fatima sanoo.
Markkinapotentiaalia hiilen talteenotossa ja päästökaupassa
BioAuthenticator-tiimi on selvittänyt markkinoita, ja saanut runsaasti näkemystä markkinoiden tarpeista. Tiimin ratkaisua voisivat käyttää sekä päästökauppaan kuuluvat suuret hiilidioksidin päästäjät, toimijoita valvovat viranomaiset että yritykset, jotka käyttävät hiiltä tuotteissaan.
Esimerkiksi energiayhtiöt ovat osoittaneet kiinnostusta ratkaisua kohtaan ja antaneet arvokasta palautetta sen kehitykseen. Hiilen talteenottajat hyötyisivät myös ratkaisusta, koska ne voisivat osoittaa sen avulla biogeenisen hiilen käyttöä. BioAuthenticator-tiimi jatkaa keskusteluja yritysten ja toimialojen kanssa.
“Hiilinegatiivisuus on pitkällä aikavälillä koko maailman tavoite. Tämä edellyttää uusia ratkaisuja hiilen talteenottoon, varastointiin ja käyttöön. Parhaassa tapauksessa kaikki hiilidioksidi olisi peräisin ilmakehästä. Tämä on valtava markkina, johon vaikuttaa muuttuva sääntely. Murroksen mahdollistamiseksi tarvitsemme ehdottomasti keinoa fossiilisen ja biogeenisen hiilen erottamiseksi toisistaan”, Hausmaninger päättää.
BioAuthenticator-tiimi on selvittänyt markkinoita, ja saanut runsaasti näkemystä markkinoiden tarpeista. Tiimin ratkaisua voisivat käyttää sekä päästökauppaan kuuluvat suuret hiilidioksidin päästäjät, toimijoita valvovat viranomaiset että yritykset, jotka käyttävät hiiltä tuotteissaan.
Esimerkiksi energiayhtiöt ovat osoittaneet kiinnostusta ratkaisua kohtaan ja antaneet arvokasta palautetta sen kehitykseen. Hiilen talteenottajat hyötyisivät myös ratkaisusta, koska ne voisivat osoittaa sen avulla biogeenisen hiilen käyttöä. BioAuthenticator-tiimi jatkaa keskusteluja yritysten ja toimialojen kanssa.
“Hiilinegatiivisuus on pitkällä aikavälillä koko maailman tavoite. Tämä edellyttää uusia ratkaisuja hiilen talteenottoon, varastointiin ja käyttöön. Parhaassa tapauksessa kaikki hiilidioksidi olisi peräisin ilmakehästä. Tämä on valtava markkina, johon vaikuttaa muuttuva sääntely. Murroksen mahdollistamiseksi tarvitsemme ehdottomasti keinoa fossiilisen ja biogeenisen hiilen erottamiseksi toisistaan”, Hausmaninger päättää.
BioAuthenticator-tiimin muodostavat tutkija ja tiimin vetäjä Mehr Fatima (laserspektroskopia ja fotoniikka), tutkija Thomas Hausmaninger (laserspektroskopia), johtava tutkija Eemeli Tsupari (hiilen talteenotto, varastointi ja kauppa), erikoistutkija Shahin Tabandeh (metrologia ja laskennallinen dynamiikka) ja tutkimustiimin vetäjä Guillaume Genoud (optinen spektroskopia).
